Systemy zasilania urządzeń podłączonych do pacjenta

W tym materiale przedstawiamy skuteczne podejścia do systemów zasilania sprzętu medycznego, omawiając m.in tematykę:

• części aplikacyjnych podłączonych do pacjenta na które nakładane są dodatkowe wymagania odnośnie zasilaczy i przetwornic medycznych,
• różnych rozwiązań dla systemów podłączonych do pacjenta o niższej i wyższej mocy,
• zapewnienia zgodności, standardowych zasilaczy medycznych i przetwornic DC-DC.

W sprzęcie medycznym dla zastosowań podłączanych do pacjenta „części aplikacyjne” to te, które wchodzą w bezpośredni kontakt z pacjentem w celu wykonania swojej funkcji.

Części aplikacyjne klasyfikowane są zgodnie z rodzajem kontaktu z pacjentem oraz rodzajem lub charakterem urządzenia medycznego w zestawie norm 60601-1. Ten standard został przyjęty w głównych krajach i regionach świata. Każda klasyfikacja wymaga różnych poziomów ochrony przed porażeniem elektrycznym.

Klasyfikacje części aplikacyjnych

• Typ B (Body): Jest najmniej rygorystyczną klasyfikacją, przyznawaną częściom aplikacyjnym, które generalnie nie przewodzą prądu i mogą być połączone z ziemią.
• Typ BF (Body Floating): klasyfikuje części aplikacyjne, które są elektrycznie połączone z pacjentem i muszą unosić się i być oddzielone od ziemi. Nie obejmuje części aplikacyjnych, które mają bezpośredni kontakt z sercem.
• Typ CF (Cardiac Floating): Jest to najbardziej rygorystyczna klasyfikacja dotycząca części aplikacyjnych odpowiednich do bezpośredniego połączenia sercowego i dożylnego.

Wszystkie te części muszą unosić się i być oddzielone od ziemi. W przypadku urządzeń medycznych typu BF i CF systemy zasilania są zaprojektowane tak, aby zapewnić dodatkową izolację od wyjścia pomocniczego do uziemienia, jak pokazano poniżej:

Prądy upływowe

Kolejnym zabezpieczeniem jest to, że systemy zasilania sprzętu podłączone do pacjenta muszą ograniczać prąd dotykowy, prąd pomocniczy pacjenta i prąd upływowy pacjenta. Maksymalne dopuszczalne wartości prądu dotykowego to 100 μA w normalnych warunkach i 500 μA w warunkach pojedynczego uszkodzenia (SFC). To skutecznie ogranicza prąd upływowy systemu do 500μA podczas normalnej pracy.

Poniżej przedstawiono maksymalny dopuszczalny prąd pomocniczy pacjenta i prądy upływowe pacjenta:

Gdy standardowe zasilacze zatwierdzone medycznie są niewystarczające

W przypadku sprzętu podłączonego do pacjenta z BF i CF kluczowym wyzwaniem jest upewnienie się, że podczas normalnej pracy system minimalizuje prądy upływowe w połączeniach elektrycznych. Musi również chronić w warunkach awarii, izolując pacjenta od uziemienia. System zasilania jest krytycznym czynnikiem w spełnieniu tych ważnych wymagań.

Wiele standardowych zasilaczy zatwierdzonych medycznie nie nadaje się do bezpośredniego podłączenia do pacjenta, ponieważ nie spełniają tych wymagań.

Nawet jeśli oferują wymagane środki ochrony pacjenta w tym 2xMOPP od wejścia do wyjścia i 1xMOPP od wejścia do uziemienia, mogą stosować izolację operacyjną od wyjścia do uziemienia, często o wartości około 500VAC/VDC. Aplikacje BF i CF z podłączeniem do pacjenta wymagają minimalnej podstawowej izolacji przy napięciu sieciowym, przy napięciu testowym 1500 VAC oraz zgodności z odległościami upływu prądu i odstępami. W standardowych medycznie zatwierdzonych zasilaczach pojemność izolacji od wejścia do wyjścia jest zbyt wysoka, co może powodować nadmierny prąd upływu z wyjścia do uziemienia.

Rozszerzenia standardowych zasilaczy w systemach małej mocy

Alternatywnym, niedrogim podejściem do systemów o niższej mocy jest utworzenie drugiego stopnia izolacji. Zatwierdzona medycznie przetwornica DC-DC może zapewnić podstawową izolację przy napięciu sieciowym i minimalną pojemność wejściową do wyjściową (20 - 50 pF). Zmniejsza to potencjalny prąd upływu pacjenta do jednocyfrowego μA. Rozwiązanie to obejmuje również sygnały wejściowe i wyjściowe systemu, które można podłączyć do niekontrolowanych urządzeń zewnętrznych, takich jak komputer czy monitor.

Przetwornice DC-DC od 1 W do 30 W z wymaganą izolacją wejścia do wyjścia i bardzo niską pojemnością wewnętrzną są produkowane specjalnie do tych zastosowań i są konkurencyjne cenowo. Stosowane w połączeniu ze standardowym, medycznie zatwierdzonym zasilaczem sieciowym, mogą zmniejszyć prąd upływowy pacjenta do poziomu zaledwie 2 μA. Dzięki temu nadają się do użytku zarówno w aplikacjach BF, jak i CF.

Jeżeli zasilanie przetwornicy DC-DC pochodzi z regulowanego zasilacza AC-DC, można zastosować urządzenie o stałym wejściu, częściowo regulowane. To sprawia, że jest to bardzo opłacalne rozwiązanie.

Szerokozakresowe produkty DC-DC oferują ściśle kontrolowane wyjście w szerokim zakresie obciążenia wejściowego i wyjściowego DC. Zapewniają do 2 x izolacji MOPP i równie niską pojemność wewnętrzną. Są one dostępne zarówno dla urządzeń przenośnych z wejściem DC, jak i zasilanych bateryjnie.

Rozwiązania zasilające dla zastosowań o większej mocy

Systemy o większej mocy, takie jak sprzęt chirurgiczny lub aplikacje napędzane silnikiem, wymagają innego podejścia. Korzystanie z dodatkowego stopnia izolacji jest generalnie nieopłacalne, ponieważ trudno jest znaleźć odpowiednio izolowane urządzenia DC-DC o dużej mocy znamionowej. Ponadto podwójna konwersja mocy jest nieefektywna.

W aplikacjach z podłączeniem pacjenta o większej mocy potrzebny jest jeden zasilacz zaprojektowany z całą niezbędną izolacją, clearancem i upływem pacjenta. Aplikacje te są zwykle oceniane jako BF zamiast CF, więc wymagania dotyczące prądu upływu pacjenta są mniej rygorystyczne (100 μA zamiast 10 μA).

Dostępne są standardowe produkty, które umożliwiają kontakt z pacjentem w zastosowaniach z oceną BF. Dobrym przykładem jest seria CMP250 o mocy 250 W i BF firmy XP Power. Spełnia wymagania dotyczące izolacji i prądu upływowego. Ma dodatkową zaletę chłodzenia konwekcyjnego, aby wyeliminować głośne wentylatory. Może zapewnić dwukrotną moc szczytową przez maksymalnie jedną minutę w zastosowaniach napędzanych silnikiem, takich jak golarki do kości, narzędzia chirurgiczne oraz zasilane elektrycznie stoły, łóżka i krzesła.

Pokonywanie wyzwań projektowych zasilaczy dla wymagających zastosowań medycznych.

Kombinacja wysokiej izolacji i niskich prądów upływu stanowi wyzwanie projektowe w przypadku zasilania AC-DC. Istnieje znacznie zwiększony wewnętrzny wymóg dotyczący odstępów po stronie wtórnej, a wymagania dotyczące niskiej emisji i niskiego prądu upływu są ze sobą sprzeczne. Wyzwaniem jest stworzenie topologii o niskim poziomie szumów, minimalizującej szum różnicowy i wspólny w całym produkcie. Jednocześnie projektanci muszą zminimalizować tętnienia częstotliwości linii w obwodach pierwotnych, aby zmniejszyć prąd upływowy pacjenta wytwarzany przez pojemność wejściową i wyjściową.

Podsumowując, rozwiązania dla zasilania sprzętu medycznego podłączonego do pacjenta wymagają specjalistycznych produktów o wysokiej jakości konstrukcji i sprawności.

Zalecane rozwiązanie różni się w przypadku systemów podłączonych do pacjenta o mniejszej mocy i większej mocy. Używaj wyłącznie odpowiednio dobranych, medycznie zatwierdzonych zasilaczy i konwerterów DC-DC pojedynczo lub w połączeniu. Produkty o sprawdzonej wydajności EMC od specjalisty zasilaczy medycznych, takiego jak XP Power, zapewniają najlepszą wartość, najniższe ryzyko i najszybszy czas wprowadzenia produktu na rynek.

Prawa autorskie: XP Power, Tłumaczenie: Gamma Sp. z o.o.